聚氯化鋁過濾性能的影響因素研究

趙志萍，丁立輝（常州友邦凈水材料有限公司，江蘇常州213100）

聚氯化鋁過濾性能的影響因素研究

趙志萍，丁立輝
（常州友邦凈水材料有限公司，江蘇常州213100）

為改善聚氯化鋁（PAC）生產(chǎn)中產(chǎn)品的過濾效果，從工藝、原料、產(chǎn)品3個(gè)方面研究了反應(yīng)時(shí)間、過濾溫度、鋁酸鈣粉用量、硫酸根離子含量、三價(jià)鐵離子含量、氧化鋁含量、鹽基度等多個(gè)因素對(duì)PAC過濾效果的影響。研究表明，反應(yīng)時(shí)間、過濾溫度、鋁酸鈣粉用量、原料中硫酸根離子含量對(duì)PAC的過濾效果均有顯著影響。為確保PAC的可濾性，建議生產(chǎn)中反應(yīng)時(shí)間為60 min，過濾溫度為60～80℃，盡量少用鋁酸鈣粉，盡量選用不含硫酸根離子的原料酸。產(chǎn)品中氧化鋁含量的變化對(duì)PAC的過濾效果有一定影響，但不會(huì)改變產(chǎn)品的可濾性。原料中三價(jià)鐵離子含量、產(chǎn)品鹽基度的變化對(duì)PAC的過濾效果無(wú)顯著影響。

聚氯化鋁；過濾性能；水不溶物

聚氯化鋁（PAC）是一種應(yīng)用廣泛的無(wú)機(jī)高分子混凝劑，其生產(chǎn)技術(shù)已日益成熟。目前，大多數(shù)企業(yè)采用常壓工藝生產(chǎn)PAC。該工藝主要以鋁礬土熟料或鋁酸鈣、含鋁鹽酸為原料，采用酸溶一步法制備，因成品液中水不溶物較多，需通過壓濾或長(zhǎng)時(shí)間靜置才能符合GB/T 22627—2008《水處理劑聚氯化鋁》對(duì)液體PAC中水不溶物的質(zhì)量要求，而工業(yè)級(jí)PAC生產(chǎn)所用含鋁酸通常為各種副產(chǎn)酸或廢酸，除主成分AlCl3、HCl之外還含有其他雜質(zhì)，導(dǎo)致PAC在實(shí)際生產(chǎn)中常出現(xiàn)難以壓濾的情況，致使產(chǎn)品水不溶物難以達(dá)標(biāo)。鑒于此，筆者從工藝、原料、產(chǎn)品3個(gè)方面研究了反應(yīng)時(shí)間、過濾溫度、鋁酸鈣粉用量、SO42-含量、Fe3+含量、Al2O3含量、鹽基度等多個(gè)因素對(duì)PAC過濾性能的影響，為實(shí)際生產(chǎn)中PAC過濾效果的改善提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器

鋁酸鈣粉（Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞50%）；鹽酸、濃硫酸、六水氯化鋁、四水氯化亞鐵、六水氯化鐵，均為AR。

1 000 mL四口燒瓶；恒溫電熱套；分析天平；電子恒速攪拌器；500 mL分液漏斗；調(diào)溫電爐。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 PAC的制備方法

將鹽酸、六水氯化鋁、鋁酸鈣粉、適量水等原料按實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的質(zhì)量比加入四口燒瓶中，攪拌下加熱回流反應(yīng)，至沸騰開始計(jì)時(shí)，保溫反應(yīng)60 min，反應(yīng)液過濾除渣即得成品PAC。

2.2 過濾性能的判斷方法［1］

取剛出釜的反應(yīng)液100 mL，冷卻至80℃。在布氏漏斗內(nèi)墊上直徑為70 mm的中速定量濾紙，在真空狀態(tài)下倒入反應(yīng)液，調(diào)節(jié)并保持真空度為-0.040～-0.035 MPa，用秒表測(cè)量過濾時(shí)間，至濾液抽干為止，即為過濾時(shí)間。通過過濾時(shí)間的長(zhǎng)短可反映產(chǎn)品過濾性能的優(yōu)劣，過濾時(shí)間＞10 min即表明產(chǎn)品過濾性能欠佳。

2.3 分析項(xiàng)目與方法

水不溶物、氧化鋁含量、鹽基度按照 GB/T 22627—2008《水處理劑聚氯化鋁》中的相應(yīng)方法進(jìn)行檢測(cè)。

3 結(jié)果與討論

3.1 生產(chǎn)工藝條件對(duì)PAC過濾效果的影響

3.1.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)PAC過濾效果的影響

為了研究反應(yīng)時(shí)間對(duì)PAC成品液過濾效果的影響，在其他條件不變的情況下［原料配比中鋁酸鈣粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 13.5%，目標(biāo) PAC中 w（Al2O3）= 10.5%，鹽基度=75%，過濾溫度=80℃］，改變反應(yīng)時(shí)間，得到PAC的過濾效果與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系圖，結(jié)果如圖1所示。

圖1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)PAC過濾時(shí)間和水不溶物含量的影響

由圖1可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，過濾時(shí)間呈現(xiàn)先降低后增高的趨勢(shì)。反應(yīng)初期，由于鋁酸鈣粉尚未完全反應(yīng)，反應(yīng)液中水不溶物含量較高，因此過濾時(shí)間較長(zhǎng)；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，過濾時(shí)間逐漸縮短，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間在60～80 min時(shí)，水不溶物含量趨于穩(wěn)定，說(shuō)明鋁酸鈣粉中可溶性成分基本溶出，此時(shí)產(chǎn)品的過濾時(shí)間也較短；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間≥80 min時(shí)，PAC成品液的過濾時(shí)間陡然延長(zhǎng)，反應(yīng)2 h時(shí)，PAC成品液抽濾10 min仍未抽干，主要原因有二，一是長(zhǎng)時(shí)間的攪拌使反應(yīng)液中水不溶物被分散成更細(xì)小的顆粒，二是PAC內(nèi)部各分子之間的交聯(lián)聚合度隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，二者導(dǎo)致過濾難度加大。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇60 min作為反應(yīng)時(shí)間，既可以保證鋁酸鈣粉的最大溶出率，又可以提高PAC的過濾效果。

3.1.2 過濾溫度對(duì)PAC過濾效果的影響

為了考察過濾溫度對(duì)PAC成品液過濾效果的影響，在其他條件不變的情況下［原料配比中鋁酸鈣粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 13.5%，目標(biāo) PAC中w（Al2O3）= 10.5%，鹽基度=75%，反應(yīng)時(shí)間=60 min］，分別在不同溫度下進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 過濾溫度對(duì)PAC過濾時(shí)間和水不溶物含量的影響

由圖2可知，PAC成品液的過濾時(shí)間隨著溫度的增高而逐漸縮短，這是由于液體的黏度是溫度的指數(shù)函數(shù)，它隨溫度的升高而明顯下降，升溫是降低黏度最簡(jiǎn)單而有效的措施，黏度降低，過濾阻力減小，過濾時(shí)間也隨著縮短。但過濾溫度不宜過高，因?yàn)楦邷貢?huì)增強(qiáng)產(chǎn)品對(duì)過濾設(shè)備的酸腐蝕性，影響整體設(shè)備或部分配件的使用壽命。因此，為了兼顧過濾效果和過濾設(shè)備的使用壽命，選擇60～80℃作為PAC成品液的過濾溫度。

3.2 原料對(duì)PAC過濾效果的影響

3.2.1 原料配比中鋁酸鈣粉用量對(duì)PAC過濾效果的影響

鋁酸鈣粉是生產(chǎn)PAC的重要原料之一，本實(shí)驗(yàn)保持其他反應(yīng)條件不變［目標(biāo) PAC中 w（Al2O3）= 10.5%，鹽基度=75%，反應(yīng)時(shí)間=60 min，過濾溫度= 80℃］，考察鋁酸鈣粉用量與PAC過濾效果的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

由圖3可知，隨著原料配比中鋁酸鈣粉用量的遞增，PAC反應(yīng)液的過濾時(shí)間也逐漸延長(zhǎng)，這是由PAC反應(yīng)液中鋁酸鈣粉帶入的水不溶物含量的增長(zhǎng)引起的。當(dāng)鋁酸鈣粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到17.5%時(shí)，PAC反應(yīng)液過濾時(shí)間>10 min，且濾渣難以抽濾至干。因此，PAC生產(chǎn)反應(yīng)中應(yīng)盡可能減少鋁酸鈣粉的用量，質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高不超過16.5%，可達(dá)到較好的過濾效果。

圖3 鋁酸鈣粉用量對(duì)PAC過濾時(shí)間和水不溶物含量的影響

3.2.2 原料中SO42-含量對(duì)PAC過濾效果的影響

目前，國(guó)內(nèi)工業(yè)級(jí)PAC生產(chǎn)中使用的原料酸多數(shù)是含鋁副產(chǎn)酸，其中不可避免地含有一些雜質(zhì)離子，SO42-就是常見的一種。本實(shí)驗(yàn)在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下［原料配比中鋁酸鈣粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.5%，目標(biāo)PAC中w（Al2O3）=10.5%，鹽基度=75%，反應(yīng)時(shí)間=60 min，過濾溫度=80℃］，考察原料配比中SO42-含量對(duì)PAC反應(yīng)液過濾效果的影響，為進(jìn)廠原料質(zhì)量指標(biāo)的控制和生產(chǎn)配比的設(shè)置提供參考，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 SO42-含量對(duì)PAC過濾時(shí)間和水不溶物含量的影響

由圖4可知，原料中SO42-含量越高，反應(yīng)液過濾時(shí)間越長(zhǎng)，當(dāng)SO42-質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.5%時(shí)，反應(yīng)液難以過濾，這是因?yàn)樵现蠸O42-與酸溶出的Ca2+反應(yīng)生成微溶性的CaSO4沉淀堵塞過濾介質(zhì)，且形成的濾餅通透性欠佳，導(dǎo)致過濾越來(lái)越難。因此，SO42-的存在對(duì)PAC反應(yīng)液的過濾起負(fù)作用，應(yīng)盡可能避免原料中含有SO42-，若難以避免，應(yīng)控制SO42-質(zhì)量不超過原料總質(zhì)量的1.5%。

3.2.3 原料中Fe3+含量對(duì)PAC過濾效果的影響

由于來(lái)源和廠家不同，原料酸和鋁酸鈣粉中Fe3+含量也不盡相同。為考察Fe3+含量對(duì)PAC反應(yīng)液過濾效果的影響，本實(shí)驗(yàn)在其他條件不變的情況下［原料配比中鋁酸鈣粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.5%，目標(biāo)PAC中w（Al2O3）=10.5%，鹽基度=75%，反應(yīng)時(shí)間= 60 min，過濾溫度=80℃］，在GB/T 22627—2008《水處理劑聚氯化鋁》允許的Fe3+含量范圍內(nèi)，改變?cè)现蠪e3+含量，得出Fe3+含量與過濾效果的關(guān)系圖，結(jié)果如圖5所示。

圖5 Fe3+含量對(duì)PAC過濾時(shí)間和水不溶物含量的影響

由圖5可知，隨著Fe3+含量的增高，PAC反應(yīng)液的過濾時(shí)間和水不溶物含量基本保持不變。因此，F(xiàn)e3+含量的變化對(duì)產(chǎn)品的過濾效果沒有顯著影響。

3.3 產(chǎn)品指標(biāo)對(duì)PAC過濾效果的影響

為考察目標(biāo)產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)對(duì)PAC反應(yīng)液過濾效果的影響，在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下（原料配比中鋁酸鈣粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 13.5%，反應(yīng)時(shí)間= 60 min，過濾溫度=80℃），分別調(diào)節(jié)產(chǎn)品Al2O3含量和鹽基度，得出產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)與過濾效果的關(guān)系圖，結(jié)果如圖6、圖7所示。

3.3.1 Al2O3含量對(duì)PAC過濾效果的影響

圖6為氧化鋁含量對(duì)PAC過濾時(shí)間和水不溶物含量的影響。由圖6可知，隨著PAC成品中Al2O3含量的遞增，水不溶物含量基本保持不變，因?yàn)殇X酸鈣粉中酸不溶物是PAC水不溶物的唯一來(lái)源，且實(shí)驗(yàn)各配比中鋁酸鈣粉用量保持一致；隨著PAC成品中Al2O3含量的遞增，PAC反應(yīng)液的過濾時(shí)間稍有延長(zhǎng)，因?yàn)镻AC反應(yīng)液的黏度隨著Al2O3含量的遞增略有增加，過濾阻力也隨之增大，但反應(yīng)液的過濾性能仍較好。因此，Al2O3含量的增加對(duì)PAC反應(yīng)液過濾性能的影響不大。

圖6 氧化鋁含量對(duì)PAC過濾時(shí)間和水不溶物含量的影響

3.3.2 鹽基度對(duì)PAC過濾效果的影響

圖7 產(chǎn)品鹽基度對(duì)PAC過濾時(shí)間和水不溶物含量的影響

圖7為產(chǎn)品鹽基度對(duì)PAC過濾時(shí)間和水不溶物含量的影響。由圖7可知，在GB/T 22627—2008《水處理劑 聚氯化鋁》要求的產(chǎn)品鹽基度范圍內(nèi)，PAC產(chǎn)品鹽基度的變化對(duì)產(chǎn)品過濾性能無(wú)顯著影響。通常情況下，PAC聚合度越高，產(chǎn)品黏度也越高，過濾時(shí)間也會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)，但在現(xiàn)行的產(chǎn)品國(guó)標(biāo)中，鹽基度的檢測(cè)方法得出的結(jié)果僅能反映PAC的堿化度，反映不出PAC的聚合度，堿化度的高低對(duì)PAC反應(yīng)液過濾性能的好壞無(wú)顯著影響。

4 結(jié)論

1）反應(yīng)時(shí)間、過濾溫度、鋁酸鈣粉用量、原料中SO42-含量的變化對(duì)PAC的過濾效果均有顯著影響。實(shí)際生產(chǎn)中，為改善PAC的過濾效果，得到合格的PAC產(chǎn)品，建議作如下控制：反應(yīng)時(shí)間為60 min；過濾溫度為60～80℃；鋁酸鈣粉用量越少越好，最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過16.5%；原料中最好不含SO42-，若無(wú)法避免，最高不超過原料總質(zhì)量的 1.5%。2）產(chǎn)品中Al2O3含量的變化對(duì)PAC的過濾效果有一定影響。Al2O3含量的增加會(huì)稍延長(zhǎng)過濾時(shí)間，但不影響PAC的可濾性，PAC仍可較快地實(shí)現(xiàn)固液分離。3）原料Fe3+含量、產(chǎn)品鹽基度的變化對(duì)PAC的過濾效果無(wú)顯著影響。

［1］ HG 3746—2004水處理劑用鋁酸鈣［S］.

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日本開發(fā)鋰電池內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)定量分析新方法

2014年3月13日，日產(chǎn)汽車（Nissan）和日產(chǎn)ARC對(duì)外正式宣布，兩家公司已合作開發(fā)出一種可以直接觀測(cè)鋰離子電池在充放電過程中正極材料內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)，并可實(shí)現(xiàn)定量化的分析方法。

通常情況下，若想得到容量大、壽命長(zhǎng)的鋰離子電池，需在電極活性材料中盡可能多地儲(chǔ)存鋰，因此首先需要掌握電池中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性。傳統(tǒng)的分析方法無(wú)法直接觀察到電池中電子的運(yùn)動(dòng)，也無(wú)法針對(duì)電極活性材料中的錳（Mn）、鈷（Co）、鎳（Ni）、氧（O）等元素做定量分析。

日產(chǎn)汽車和日產(chǎn)ARC開發(fā)的分析方法，是將L吸收邊X射線吸收光譜法和采用矢量型超級(jí)計(jì)算機(jī) “地球模擬器”做的第一性原理計(jì)算法（first-principles calculation）相結(jié)合的全新分析方法。此前的研究者也采用X射線吸收光譜法進(jìn)行分析，但多以K吸收邊為著眼點(diǎn)，除了被束縛在原子內(nèi)的電子，無(wú)法直接有效地觀測(cè)到其他參與充放電電子的活動(dòng)情況。

采用最新研制的分析方法，可直接觀察到參與了電池反應(yīng)中的電子的流動(dòng)情況。結(jié)合第一性原理計(jì)算方法，則可實(shí)現(xiàn)電子遷移率從間接推定到精確測(cè)量的轉(zhuǎn)變。

該方法還有助于解決困擾研究者多年的難題，即在充放電時(shí)流動(dòng)電流的起源。通過對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的定量分析，有助于準(zhǔn)確掌握電池內(nèi)部（特別是正極活性材料）反應(yīng)的情況，從而為性能優(yōu)良、使用壽命長(zhǎng)的電極材料的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供可能。

賈磊譯自レスポンス.2014-03-13.

Study on influence factors of PAC filtration performance

Zhao Zhiping，Ding Lihui
（Changzhou Y oubang W ater-purging Chemical Co.，Ltd.，Changzhou 213100，China）

In order to improve filtering effect of poly aluminium chloride（PAC），the influences of reaction time，filtering temperature，dosage of Ca（AlO2）2，contents of SO42-，F(xiàn)e3+，and Al2O3，and basicity on PAC filtering effect were investigated from three aspects of process，raw materials，and product.Results showed that reaction time，filtering temperature，dosage of Ca（AlO2）2，and SO42-content in the raw material all had remarkable influence on filtering effect of PAC.To ensure filterability of PAC，reaction time of 60 min and filtering temperature at 60～80℃were suggested，dosages of Ca（AlO2）2and SO42-in acid were less as far as possible.Changes of Al2O3content in the product had certain influence on filtering effect of PAC，but would not change filterability of PAC.Changes of Fe3+in raw materials and basicity of PAC had no significant influence on filtering effect of PAC.

poly aluminium chloride；filtration performance；water insolubles

TQ133.1

A

1006-4990（2014）04-0049-04

2013-10-15

趙志萍（1982— ），女，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)絮凝劑的生產(chǎn)技術(shù)。